OPERAÇÕES UNITÁRIAS. Processo de Combustão

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Luiz Guilherme Sá Castanho
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1 OPERAÇÕES UNITÁRIAS Processo de Combustão

2 Caldeiras ou Geradores de Vapor Aquatubular Para alta vazão e pressão de vapor Flamotubular Para baixa vazão e pressão de vapor

3 Combustíveis A maioria dos combustíveis pode ser classificada em três categorias: carvão, hidrocarbonetos líquidos e hidrocarbonetos gasosos. Deve-se observar a estrutura da cadeia molecular de um combustível. Para os hidrocarbonetos, temos os seguintes tipos: Hidrocarboneto insaturado: possui dois ou mais átomos de carbonos adjacentes, unidos por uma ligação dupla ou tripla. Hidrocarbonetos saturados, todos os átomos de carbono são unidos por uma ligação simples. Dois hidrocarbonetos com o mesmo número de átomos de carbono e hidrogênio e estruturas diferentes são chamados isômeros

Para os hidrocarbonetos, temos os seguintes tipos: Hidrocarboneto insaturado: possui dois ou mais átomos de carbonos adjacentes, unidos por uma

4 Fórmula Química dos Hidrocarbonetos

5 Processo de Combustão O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes do combustível, sendo portanto, representado por uma equação química. Considere, inicialmente, a reação do carbono com o oxigênio: Quando um combustível constituído por hidrocarbonetos é queimado, o carbono e o hidrogênio são oxidados. Por exemplo, considere a combustão do metano:

Considere, inicialmente, a reação do carbono com o oxigênio: Quando um combustível

6 Processo de Combustão O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes do combustível, sendo portanto, representado por uma equação química. Inicialmente, considere a reação do carbono com o oxigênio: Quando um combustível constituído por hidrocarbonetos é queimado, o carbono e o hidrogênio são oxidados. Por exemplo, considere a combustão do metano: Os produtos de combustão incluem dióxido de carbono e água. A água pode estar na fase vapor, líquida ou sólida, dependendo da temperatura e pressão dos produtos de combustão

Inicialmente, considere a reação do carbono com o oxigênio: Quando um combustível constituído por hidrocarbonetos é queimado, o

7 Processo de Combustão Real Na maioria dos processos de combustão, o oxigênio é fornecido pelo ar e não como oxigênio puro. Composição do Ar 1% 78% 21% O2 N2 Ar Desprezando o argônio, podemos considerar que o ar é composto de 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio.

Composição do Ar 1% 78% 21% O2 N2 Ar Desprezando o argônio,

8 Combustão completa Ar Teórico Da hipótese de que o ar é constituído por 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio (em volume), concluímos que para cada mol de oxigênio estão envolvidos 79,0/21,0 = 3,76 mols de nitrogênio. Logo, quando o oxigênio para a combustão do metano for fornecido pelo ar, temos: A quantidade mínima de ar que fornece O 2 suficiente para a combustão completa do carbono, hidrogênio e quaisquer outros elementos do combustível que possam oxidar é chamada de Ar Teórico.

9 Equação Geral da Combustão A equação geral para a combustão de um hidrocarboneto com ar apresenta a seguinte forma: Onde: Daí, o número total de kmols de ar para um kmol de combustível é: 100% de ar teórico

seguinte forma: Onde: Daí, o número total de kmols

10 Relação Combustível-Ar Dois parâmetros importantes, utilizados para expressar a relação entre o combustível e o ar, são a relação ar combustível (AC) e seu recíproco, a relação combustível ar (CA) e podem ser expressadas em base mássica ou molar e se relacionar entre si:

combustível (AC) e seu recíproco, a relação combustível ar (CA) e

11 Ar Real Fornecido (Ф) A quantidade de ar realmente fornecida à reação em função da porcentagem de ar teórico é definida do seguinte modo: O subscrito s indica que a relação se refere a 100% do ar teórico. Assim, se Ф =150% de ar teórico, significa que ar é fornecido numa quantidade uma vez e meia maior que a referente ao ar teórico.

12 Percentual de Ar em Excesso Exemplo: A combustão completa do metano com 150% de ar teórico é escrita do seguinte modo: O excesso de ar é a quantidade de ar fornecido acima ou abaixo da quantidade estequiométrica necessária. Então, 150% de ar teórico são equivalentes a 50% de ar em excesso. 80% de ar teórico são equivalentes a 20% de ar em defasagem.

acima ou abaixo da quantidade estequiométrica necessária.

13 Produtos de Combustão em Relação a Quantidade de Ar Teórico Queima estequiométrica (ar teórico = 100%): xco 2 yh 2O zn2 Queima com excesso de ar (ar teórico > 100%): xco 2 yh 2O zn2 wo2 Queima com déficit de ar (ar teórico < 100%): xco 2 yh 2O zn2 vco

Queima com excesso de ar (ar teórico > 100%): xco 2 yh 2O zn2

14 Exemplo Calcule a relação ar combustível teórica (estequiométrica) para a combustão do octano C 8 H 18. Solução: A equação da combustão é: C 8 H ,5 O ,5(3,76) N 2 8 CO H 2 O + 47,0 N 2 A relação ar combustível teórica em base molar é: AC molar =(12,5+47,01)/1=59,5 kmol de ar/kmol de comb. A relação ar combustível teórica em base mássica pode ser encontrada introduzindose as massas moleculares do ar e do combustível. AC mássica =AC molar *(M ar /M comb )=59,5*(28,97/114,2)=15,0 kg ar/kg de comb.

teórica em base molar é: AC molar =(12,5+47,01)/1=59,5 kmol de ar/kmol de comb.

15 Aplicação da Primeira Lei em Sistemas Reagentes A primeira lei para um processo em regime permanente é definida na seguinte forma: Os índices R e P se referem aos reagentes e aos produtos respectivamente e os índices e e s se referem a entrada e saída do volume de controle (v. c.).

R e P se referem aos reagentes e aos produtos respectivamente e os

16 Volume de Controle em Caldeiras P c v R c v H W H Q.... H Q c v.. =0 v.c. T c m Q p O H O H 2 2 H P H R H

17 Entalpia de uma Reação Química Para substâncias que não estão sujeitas a variações de composição química, a Entalpia é determinada de maneira direta via Tabela, de acordo com as condições do estado termodinâmico (temperatura/pressão) em que encontra a substância em questão, independente de outras transformações que a substância tenha sofrido anteriormente. Nas reações químicas ocorre variação na composição química da substância. Logo, é necessário definir um estado de referência inicial, antes da substância sofrer variação de composição química, e um estado final, após a variação. Arbitrariamente, o estado (inicial) de referência é definido pela temperatura de 25 C (298 K) e pressão de 0,1 MPa (condição em que uma substância na fase vapor se comporta como gás ideal). A entalpia do estado de referência é denominada Entalpia de Formação ( ). h f Para temperatura e pressão acima ou abaixo dos valores de referência, a entalpia de uma substância é calculada pela soma de sua entalpia de formação e da variação da sua entalpia em relação ao estado de referência:

Nas reações químicas ocorre variação na composição química da substância.

18 Cálculo da Entalpia de uma Substância Por exemplo, para o cálculo da entalpia da água durante o processo de combustão, caso a substância esteja a 25 C (298 K) e 0,1 MPa, a entalpia é dada de forma direta de acordo com a tabela abaixo. Logo, h H2O = kj/kmol. Caso a água se encontre a 500 K (227 C), a entalpia é dada pela soma das entalpias entre o estado de referência e da variação de entalpia em relação ao estado de referência: h kJ / kmol Obs.: a Entalpia de formação de Substâncias simples (O 2, N 2,...) é sempre nula.

Caso a água se encontre a 500 K (227 C), a entalpia é dada pela soma das entalpias entre o estado de referência e da variação de entalpia

19 Aplicações na Engenharia 1) Considere o processo que ocorre em regime permanente numa câmara de combustão que é alimentada com metano. A reação química que ocorre na câmara é: CH O 2 CO H 2 O Os reagentes e os produtos estão a uma pressão total de 0,1 MPa e a 25 ºC. Determine a quantidade de calor transferida por kmol de combustível que entra na câmara de combustão.

A reação química que ocorre na câmara é: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O Os reagentes e os

20 Aplicações na Engenharia Solução: Volume de controle: Câmara de combustão. Estado na entrada: P e T conhecidas; estado determinado. Estado na saída: P e T conhecidas; estado determinado. Processo: Regime permanente com combustão. Modelo: Três gases ideais, água líquida real. Análise - Primeira lei:

Estado na saída: P e T conhecidas; estado determinado.

21 Aplicações na Engenharia Utilizando valores tabelados: Q v. c. =0 HR Wv. c. H P

22 Aplicações na Engenharia 2) Uma pequena turbina a gás utiliza C 8 H 18 como combustível e 400% de ar teórico. O ar e o combustível entram na turbina a 25 ºC e os produtos da combustão saem a 900 K. Determine a quantidade de calor transferida da turbina por kmol de combustível. O trabalho gerado pela turbina é igual a kj/kmol de comb. A entalpia de formação do combustível é igual a kj/kmol. Admita que a combustão seja completa.

23 Parâmetros de Desempenho da Combustão em Geradores de Vapor Eficiência da Combustão: Eficiência da Caldeira:

24 Exemplo A caldeira de uma central termoelétrica é alimentada com kg/h de água a 10 MPa e 200 ºC (h=3398,27 kj/kg). O vapor é descarregado da caldeira a 8 MPa e 500 ºC (h=855,97 kj/kg). A potência da turbina do ciclo é kw, a vazão de carvão consumida na caldeira é kg/h e apresenta poder calorífico superior igual a kj/kg. Nessas condições, determine a eficiência térmica da caldeira. Solução: A eficiência da caldeira é: η ger. Vapor = (calor transferido à água/kg de combustível) (poder calorífico superior do combustível) Portanto, η ger. Vapor = {[325000*(3398,27 855,97)]/( )} 100=93,1%

25 Tabela de Entalpia/Entropia de Substâncias

26 Exercícios 1) Escreva a equação balanceada para queima do Diesel (C 14,4 H 24,9 ): a) estequiométrica b) com 400% de ar teórico. 2) Calcule a relação Ar/Combustível (AC), nas bases molar e mássica da queima estequiométrica da gasolina (C 7 H 17 ). A massa molecular do ar é 28,97 kg/kmol. 3) Calcule o calor em unidade de kj da reação de combustão do metano (CH4), queimado com ar atmosférico com excesso de 50%. Os reagentes se encontram a 25 C e 0,1 MPa. Os produtos saem a uma temperatura de 500K. A entalpia de formação do combustível é: h kj f CH 4) Vapor numa caldeira é produzido a partir da queima de kg/hora de Octano (C 8 H 18 ) com ar atmosférico. A reação de combustão inicia a 25º C e 0,1 MPa. A temperatura dos produtos da combustão é de 1000 K. No circuito de água, a temperatura de entrada é de 20 ºC e mediante a troca de calor aumenta para 420 ºC. O processo de combustão é realizado com ar teórico igual a 200%. a) Determine o calor real transferido à água. Considere a entalpia de formação do C 8 H 18 igual kj/kmol. b) Determine a vazão mássica da água (c p = 4200 j/kg.k) c) Determine a eficiência da caldeira (PCI = kj/kg) 4 kmol

27 Formulário Básico

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